Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von - Zum E-Book
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Technik René Kallmeyer Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis Diplomarbeit Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de/ abrufbar. Dieses Werk sowie alle darin enthaltenen einzelnen Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsschutz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlages. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen, Auswertungen durch Datenbanken und für die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme. Alle Rechte, auch die des auszugsweisen Nachdrucks, der fotomechanischen Wiedergabe (einschließlich Mikrokopie) sowie der Auswertung durch Datenbanken oder ähnliche Einrichtungen, vorbehalten. Copyright © 2007 Diplomica Verlag GmbH ISBN: 9783956362736 http://www.diplom.de/e-book/225350/abschaetzung-der-waermestroeme-bei-derreibung-von-metallischen-werkstoffen René Kallmeyer Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis Diplom.de René Kallmeyer Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis Diplomarbeit Technische Universität Ilmenau Fachbereich Maschinenbau Institut für Werkstofftechnik Juni 2007 ID 10504 René Kallmeyer Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis ISBN: 978-3-8366-0504-5 Druck Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2007 Zugl. Technische Universität Ilmenau, Ilmenau, Deutschland, Diplomarbeit, 2007 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Die Informationen in diesem Werk wurden mit Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden, und die Diplomarbeiten Agentur, die Autoren oder Übersetzer übernehmen keine juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für evtl. verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen. © Diplomica Verlag GmbH http://www.diplom.de, Hamburg 2007 Printed in Germany Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis Technische Universität Ilmenau Fakultät für Maschinenbau Danksagung Die vorliegende Diplomarbeit wurde während meines 11. Semesters am Fachgebiet Metallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe an der Technischen Universität Ilmenau durchgeführt. Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. H. Kern danke ich für die Ermöglichung dieser Diplomarbeit. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr.-Ing. Frank Albracht, Herrn Dr.-Ing. Volker Winkler und Frau Dipl.-Ing. (FH) Susen Reichel für die wissenschaftliche Betreuung meiner Arbeit, ihre ständige Diskussionsbereitschaft und die freundliche Unterstützung bei der Bearbeitung des Themas. Bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Fachgebietes möchte ich mich für die freundliche Aufnahme bedanken. Dank auch an den Meister der mechanischen Werkstatt Herrn Frank Oßmann. Weiterhin möchte ich mich bei Dipl.-Ing. Marc Schalles bedanken für seine Hilfestellung im FEM-Bereich. Besonderer Dank gilt meinen Eltern Christine und Karl-Heinz, meiner Schwester Anja sowie meiner Freundin Gesine, die mich während dieser Arbeit immer unterstützten und motivierten. II Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis Technische Universität Ilmenau Fakultät für Maschinenbau INHALTSVERZEICHNIS VERZEICHNIS VON ABKÜRZUNGEN UND FORMELZEICHEN ...............................VI 0 EINLEITUNG.......................................................................................................... 1 1 GRUNDLAGEN...................................................................................................... 2 1.1 1.2 STRUKTURMECHANISCHE UND THERMODYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN VON EIS . 2 1.1.1 PHYSIK VON EIS ....................................................................................................... 2 1.1.2 SCHMELZEN VON EIS .............................................................................................. 6 DRUCKSCHMELZEN................................................................................. 7 1.1.2.2 GRENZFLÄCHENSCHMELZEN ................................................................ 8 1.1.2.3 OBERFLÄCHENSCHMELZEN .................................................................. 9 1.1.2.4 REIBSCHMELZEN ................................................................................... 10 1.1.2.5 QUASI FLÜSSIGER FILM........................................................................ 11 TRIBOLOGISCHE SYSTEME MIT EIS................................................................................. 12 1.2.1 1.2.2 1.3 1.1.2.1 TRIBOLOGIE ALLGEMEIN ...................................................................................... 12 1.2.1.1 REIBUNG ................................................................................................. 13 1.2.1.2 VERSCHLEIß ........................................................................................... 15 1.2.1.3 SCHMIERUNG ......................................................................................... 15 REIBUNG AUF EIS .................................................................................................. 16 WÄRMEÜBERTRAGUNG UND TEMPERATURMESSUNG................................................ 18 1.3.1 1.3.2 WÄRMEAUSBREITUNG .......................................................................................... 18 1.3.1.1 WÄRMELEITUNG .................................................................................... 19 1.3.1.2 WÄRMEKONVEKTION ............................................................................ 20 1.3.1.3 WÄRMESTRAHLUNG.............................................................................. 21 1.3.1.4 WÄRMEÜBERTRAGUNG IM REIBSPALT.............................................. 21 TEMPERATURMESSUNG....................................................................................... 25 1.3.2.1 THERMOELEMENT ................................................................................. 25 1.3.2.2 WIDERSTANDSTHERMOMETER........................................................... 26 1.3.2.3 INFRAROTSENSOREN ........................................................................... 27 III Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis 2 3 Technische Universität Ilmenau Fakultät für Maschinenbau UNTERSUCHUNGEN ZUR REIBUNG AUF EIS ................................................. 29 2.1 TRIBOMETER UND MESSSYSTEM .................................................................................... 29 2.2 HERSTELLUNG UND PRÄPARATION DES EISES ............................................................ 31 2.3 AUSWAHL UND MODIFIZIERUNG DES PROBEKÖRPERS .............................................. 33 2.4 VERSUCHSPLAN ................................................................................................................. 34 2.4.1 BEMERKUNGEN ZUR REIBUNGSZAHL ................................................................ 36 2.4.2 BEMERKUNGEN ZUR TEMPERATURMESSUNG................................................. 37 ERGEBNISSE UND DISKUSSION ...................................................................... 40 3.1 REIBUNGSZAHL IN ABHÄNGIGKEIT DER NORMALKRAFT, ................................................ GLEITGESCHWINDIGKEIT UND EISTEMPERATUR......................................................... 40 3.1.1 ALLGEMEINES REIBUNGSVERHALTEN............................................................... 40 3.1.2 BELASTUNGS- ODER GLEITGESCHWINDIGKEITSABHÄNGIGE .......................... REIBUNGSZAHL...................................................................................................... 41 3.2 3.1.3 REPRODUZIERBARKEIT DER ERGEBNISSE....................................................... 44 3.1.4 ABHÄNGIGKEIT DER REIBUNGSZAHL VON DER EISTEMPERATUR................ 45 3.1.5 REIBUNGSZAHL IN DEN KRITISCHEN BEREICHEN ........................................... 47 TEMPERATURMESSUNG IM REIBSPALT.......................................................................... 49 3.2.1 GESCHWINDIGKEITSABHÄNGIGKEIT DER TEMPERATUR ............................... 49 3.2.2 BELASTUNGSABHÄNGIGKEIT DER TEMPERATUR............................................ 51 3.2.3 TEMPERATURVERHALTEN BEI UNTERSCHIEDLICHEN ....................................... EISTEMPERATUREN .............................................................................................. 53 3.3 4 3.2.4 TEMPERATURVERHALTEN UND REIBUNGSZAHL ............................................. 57 3.2.5 STATISCHE TEMPERATURMESSUNG ................................................................. 58 FAZIT DER UNTERSUCHUNGEN ZUR REIBUNG AUF EIS .............................................. 60 MODELLBILDUNG MITTELS FEM ..................................................................... 64 4.1 GRUNDLAGEN ..................................................................................................................... 64 4.2 THEORETISCHES FEM-MODELL ....................................................................................... 65 4.3 AUFBAU DES FEM-MODELLS............................................................................................. 67 4.4 ERGEBNISSE DER SIMULATION........................................................................................ 69 IV Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis Technische Universität Ilmenau Fakultät für Maschinenbau 5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ........................................................... 71 6 LITERATURVERZEICHNIS ................................................................................. 74 7 INTERNETVERZEICHNIS ................................................................................... 80 8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS ............................................................................. 81 9 TABELLENVERZEICHNIS .................................................................................. 83 10 ANHANG.............................................................................................................. 84 V Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis Technische Universität Ilmenau Fakultät für Maschinenbau Verzeichnis von Abkürzungen und Formelzeichen Abkürzungen gradT Temperaturgradient PMMA Polymethylmethacrylat TCC Thermal Contact Conductance Formelzeichen I … XII chronologische Laufnummer des Eises Ic Eis mit hexagonaler Kristallstruktur Ih Eis mit kubischer Kristallstruktur A Fläche [m²] [mm²] Ai Fläche des Strahlers [m²] AK Kontaktfläche [mm²] a(0) Konstante = 0,84 [nm] c spezifische Wärmekapazität [J/kg · K] E Elastizitätsmodul [N/m²] [N/mm²] EAB Thermospannung [mV] ex, ey, ez Elementkoordinatensystem Fij Formfaktor zwischen Strahler- und Empfängerfläche FN Normalkraft [N] FR Reibungskraft [N] f Reibungszahl G Schermodul [N/m²] H Enthalpie [J] h Schmelzwärme [kJ/kg] hc thermische Kontaktkonduktivität [W/m² · K] k Materialfaktor L Dicke des quasi flüssigen Filmes [nm] [Ǻ] ld Wachstumsamplitude [Ǻ] VI Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis Technische Universität Ilmenau Fakultät für Maschinenbau P Reibleistung [W] PM Reibleistungsanteil durch Materialveränderung [W] PQ Reibleistungsanteil durch Wärme [W] PV Reibleistungsanteil durch Materialverlust [W] p Druck [bar] Q& Wärmestrom [W] Q& K Wärmestrom durch Wärmekonvektion [W] Q& L Wärmestrom durch Wärmeleitung [W] Q& S Wärmestrom durch Wärmestrahlung [W] Ra Mittenrauwert [µm] T Temperatur [K] [°C] T0 Starttemperatur [K] [°C] TA Starttemperatur [K] [°C] TF Fluidtemperatur [K] [°C] Ti Temperatur des Strahlers [K] Tj Temperatur des Empfängers [K] Tm Schmelztemperatur [K] [°C] Tqll Temperatur des quasi flüssigen Filmes [K] [°C] Tref Referenztemperatur [K] [°C] TS Temperatur an der Messstelle [K] [°C] TU Endtemperatur [K] [°C] TW Wandtemperatur [K] [°C] ∆T Temperaturdifferenz [K] t Zeit [s] vG Gleitgeschwindigkeit [m/s] vS Vorschubgeschwindigkeit [mm/s] x, y, z kartesische Koordinate α Wärmeausdehnungskoeffizient [1/K] αK konvektiver Wärmeübergangskoeffizient [W/m² · K] εi Emissionsgrad der Strahlerfläche κ Kompressionsmodul [N/m²] λ Wärmeleitfähigkeit [W/m · K] VII
